نظرة عامة على البحث
"Real-Time Closed-Loop Color Control of a Multi-Channel Luminaire Using Sensors Onboard a Mobile Device" هو ورقة بحثية نُشرت في IEEE Access في 27 سبتمبر 2018. تقدم الورقة منهجية مبتكرة للتحكم في اللون لأنظمة الإضاءة متعددة القنوات باستخدام كاميرات الهواتف الذكية كمستشعرات تغذية مرتدة في بيئات المنزل الذكي.
الابتكار الأساسي: يقدم هذا البحث طريقة اقتصادية ومريحة للتحكم الدقيق في ألوان مصابيح LED باستخدام الكاميرات المتوفرة في الهواتف الذكية الحديثة، مما يلغي الحاجة إلى أجهزة استشعار خارجية باهظة الثمن. يمكن للخوارزمية إجراء مزج متعدد القنوات لأي لون وللضوء الأبيض عند درجات حرارة لونية مترابطة مطلوبة مع مؤشر عرض لوني مرتفع.
مقاييس الأداء الرئيسية
الرؤى البحثية الرئيسية
كاميرات الهواتف الذكية كأجهزة استشعار لونية فعالة
يوضح البحث أن كاميرات الهواتف الذكية الحديثة يمكن أن تعمل بشكل فعال كأجهزة استشعار لونية للتحكم ذي الحلقة المغلقة في أنظمة إضاءة LED، مما يلغي الحاجة إلى أجهزة استشعار متخصصة باهظة الثمن.
خوارزمية خلط الألوان متعددة القنوات
يمكن لخوارزمية النسب المتدرج الجديدة أن تتقارب نحو الألوان المستهدفة باستخدام أضواء بأي عدد من قنوات LED من خلال تحديد أقصر مسار في فضاء اللون CIELUV.
حل إضاءة المنزل الذكي الاقتصادي
يثبت هذا النهج أنه اقتصادي ومريح للغاية حيث لا يلزم وجود أجهزة استشعار خارجية ويمكن تنفيذه باستخدام أي هاتف ذكي يعمل بنظام Android على تركيبات الإضاءة المتوافقة القائمة على LED.
تحقيق دقة ألوان عالية
يحقق النظام فروق لونية (Δu'v') منخفضة تصل إلى 0.003 للخلط متعدد القنوات، مع مؤشرات تجسيد لوني عالية تصل إلى 94 للخلط ذي 10 قنوات.
متين تجاه مصادر الضوء الخارجية
يساعد نظام التحكم ذو التغذية الراجعة ذات الحلقة المغلقة في الحفاظ على المتانة تجاه الاضطرابات الخارجية من مصادر الضوء الأخرى مثل ضوء الشمس الداخل عبر النوافذ.
التنفيذ العملي
تم اختبار الخوارزمية في بيئة معيشة محاكاة حقيقية (5.8م × 3.4م) مع ستة تركيبات إضاءة نموذجية بحثية متحكم فيها لاسلكيًا بقنوات عشرية.
نظرة عامة على المحتوى
محتويات المستند
ملخص
تمثل المنازل الذكية وإنترنت الأشياء مفاهيم ناشئة في المجتمع الحديث، حيث يُعد الإضاءة الذكية جزءًا مهمًا منها. بالإضافة إلى توفير الرضا البصري من خلال خصائصها في تجسيد الألوان، فإن للإضاءة تأثيرات أخرى على رفاهية الإنسان. من أجل استغلال الإمكانات الكاملة للمنزل المضاء بذكاء، تحتاج أنظمة الإضاءة إلى أن تكون مجهزة بوحدات تحكم دقيقة يمكنها التحكم في طيف وخصائص لون الضوء بالإضافة إلى التحكم التقليدي في التشغيل والإيقاف والتعتيم.
ومع ذلك، تحتاج منتجات الإضاءة الذكية التجارية الحالية ذات هذه القدرات إلى استخدام أجهزة استشعار باهظة الثمن لا تزال تفتقر إلى نظام التغذية الراجعة المغلق الذي يُعد ضرورياً للتحكم الدقيق في لون المصابيح القائمة على الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). تقدم هذه الورقة نهجاً جديداً يستخدم الكاميرا المتاحة في الهواتف الذكية الحديثة لتنفيذ التحكم اللوني ذو التغذية الراجعة المغلق لأنظمة الإضاءة في المنازل الذكية.
تستطيع الخوارزمية تنفيذ مزج متعدد القنوات لأي لون وكذلك للضوء الأبيض عند درجة حرارة لون مترابطة مطلوبة مع مؤشر عرض ألوان مرتفع. يثبت هذا النهج كونه اقتصاديًا ومريحًا للغاية حيث لا توجد حاجة لأجهزة استشعار خارجية ويمكن تنفيذه باستخدام أي هاتف ذكي يعمل بنظام Android على مصباح LED متوافق.
مقدمة
تكتسب الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) زخماً مطرداً في تطبيقات الإضاءة حول العالم. أُبلغ أن في الولايات المتحدة وحدها، زادت تركيب منتجات LED في جميع تطبيقات الإضاءة بأكثر من أربعة أضعاف من عام 2014 حتى عام 2016. تتوقع وزارة الطاقة الأمريكية أيضاً أن انتشار تركيبات الإضاءة المعتمدة على LED سيزداد بشكل كبير ليصل إلى حوالي 86% في تطبيقات الإضاءة العامة بحلول عام 2035.
يتجه العديد من المستهلكين نحو تقنية LEDs بسبب استهلاكها المنخفض للطاقة مقارنة بمصادر الضوء التقليدية مثل الهالوجين والفلورسنت. كما تقدم تركيبات الإضاءة المعتمدة على LED مزايا تفوق بكثير مجرد توفير الطاقة؛ فهي متوفرة بتركيبات طيفية متنوعة وسهلة التحكم، مما يؤدي إلى أنظمة إضاءة قابلة للتعديل.
يُتوقع أن تكون الأضواء ذات الطيف القابل للضبط مستقبل الإضاءة، حيث أظهرت الدراسات أن الضوء منبه مؤثر في الساعة البيولوجية البشرية، حيث وجد أن التكوين الطيفي للضوء يؤثر بقوة على فسيولوجيا وسيكولوجية الإنسان. جاذبية نظام الإضاءة القابل للضبط تكمن في قدرته على سد الفجوة بين الأضواء الاصطناعية والضوء الطبيعي، مما يقدم منافع هائلة لرفاهية الإنسان.
منهجية التحكم في الطيف الضوئي
النموذج الأولي للثريا المستخدم لاختبار خوارزمية التحكم المقترحة يتكون من 10 قنوات، منها 7 ألوان أساسية ذات أطوال موجية قياسية مختلفة، بينما القنوات الثلاث المتبقية هي مصابيح LED بيضاء محولة بالفوسفور. يتم التحكم في شدة كل قناة LED باستخدام تعديل عرض النبضة (PWM)، والذي يتم توفيره بواسطة متحكم Arduino المثبت على الثريا إلى سائق LED لاسلكياً باستخدام ZigBee.
تم تطوير تطبيق Android لتنفيذ خوارزمية التحكم في الإضاءة. يقوم المستخدم أولاً باختيار لون الإضاءة المستهدف باستخدام منتقي الألوان؛ تقوم الخوارزمية بتحويل هذا اللون إلى مجموعة إحداثيات 'u'v' التي يشار إليها كنقطة الضبط المستهدفة. يتم التقاط معلومات حالة إضاءة الغرفة بواسطة كاميرا الهاتف الذكي، والتي يتم تحويلها إلى إحداثيات الألوان 'u'v' للضوء في الغرفة.
يتم حساب المسافة الإقليدية بين إحداثيات الألوان المستهدفة والمقاسة لإنتاج الخطأ. يستقبل متحكم PI هذا الخطأ، ويراعي إحداثيات ألوان مصابيح LED، ويولد إشارة التحكم PWM لكل قناة LED في الجهاز الإضاءة لاسلكيًا باستخدام ZigBee.
مواصفات قناة LED
| قناة | CIE 1931 xy x | CIE 1931 xy y | 1976 CIELUV u' | 1976 CIELUV v' |
|---|---|---|---|---|
| Red (637 nm) | 0.7020 | 0.2975 | 0.5436 | 0.5183 |
| Amber (625 nm) | 0.6817 | 0.3178 | 0.5003 | 0.5247 |
| Yellow (596 nm) | 0.5899 | 0.4093 | 0.3505 | 0.5472 |
| Lime (538 nm) | 0.4087 | 0.5601 | 0.1836 | 0.5662 |
| Green (523 nm) | 0.1804 | 0.7281 | 0.0634 | 0.5760 |
تصميم خوارزمية التحكم اللوني متعدد القنوات
تُعد خوارزمية التحكم اللوني متعددة القنوات المبتكرة المقدمة في هذا البحث شكلاً من خوارزمية الهبوط التدريجي التي تتقارب نحو chromaticity المستهدف. تُجرى الحسابات في فضاء اللون 1976 CIELUV الذي يمتلك مقياس chromaticity موحد. لكي تعمل هذه الخوارزمية، يجب الحصول على إحداثيات (u', v') لكل قناة LED عند تشغيل المستخدم للنظام لأول مرة.
تقوم الخوارزمية بدوران من خلال جميع قنوات LED في المصباح بشكل فردي أثناء حساب إحداثيات اللون باستخدام قراءة الكاميرا كمدخل. الهدف الرئيسي للخوارزمية هو تطوير أسرع وأقصر مسار سفر في فضاء اللون CIELUV للون المنبعث من مصباح LED للتقارب نحو اللون المستهدف باستخدام تصميم التحكم الحلقي المغلق.
يتم استخدام حقيقة أن اللون الناتج عن إضافة لونين يقع دائمًا على الخط الواصل بين الألوان على مخطط نقاء اللون كأساس للوصول تكراريًا إلى شدة كل قناة LED النهائية.
تنفيذ الخوارزمية
الخطوة الأولى في الخوارزمية هي تحجيم حجم الصورة المستخرجة من الكاميرا عن طريق تقليل عرض وارتفاع الصورة بمقدار 10 مرات لكل منهما، مما ينتج عنه صورة نهائية أصغر بمقدار 100 مرة من الأصلية. بعد ذلك، يتم حساب متوسط قيم RGB في الصورة.
بعد ذلك تُستخدم قيم RGB لحساب إحداثيات اللون المقاسة (u', v'). يتم حساب إشارة الخطأ باستخدام صيغة المسافة الإقليدية بين الإحداثيات المستهدفة والمقاسة.
يُستخدم متحكم تناسبي-تكاملي (PI) في تصميم خوارزمية التحكم بالتغذية الراجعة لتحقيق خطأ صفري في الحالة المستقرة. تم ضبطه باستخدام طريقة Ziegler-Nichols المعروفة لحجم الخطوة لكل تكرار مما يمنح الخوارزمية قدرة التكيف مع أحجام الخطوات المتغيرة.
النتائج التجريبية والمناقشات
تم إعداد النظام التجريبي في غرفة معيشة تجريبية بمساحة 5.8 م × 3.4 م، ومزودة بستة مصابيح نموذجية بحثية قابلة للضبط والتحكم لاسلكياً تحتوي على 10 قنوات. تمتد القنوات السبعة المكونة من مصابيح LED أحادية اللون عبر نطاق الطول الموجي المرئي ويمكن مزجها للحصول على ضوء أبيض بمجموعة واسعة من الخصائص اللونية.
يتم استخدام الهاتف الذكي مع كاميرته الثانوية موجهة للأعلى لالتقاط حالة الإضاءة، أي قيم RGB والإضاءة للضوء الساقط على السطح حيث يتم وضع الهاتف. يتم وضع مقياس الطيف الضوئي Konica Minolta CL-500A بجوار الهاتف الذكي للتحقق من خوارزمية التحكم في اللون.
Bi-Channel Mixing Results
| تجربة | متوسط Δu'v' | نطاق CCT | متوسط الخطأ المطلق في CCT | متوسط CRI |
|---|---|---|---|---|
| Warm white & cool white | 0.0103 | 2700K إلى 5600K | 4.45% | 77.7 |
| Cool white & yellow | 0.0089 | 2700K إلى 5600K | 3.62% | 59 |
Multi-Channel Mixing Results
تم اختبار خوارزمية التحكم في اللون باستخدام سيناريوهات متنوعة تشمل:
- سبعة ألوان أساسية لإنتاج الضوء الأبيض
- عشرة قنوات LED لإنتاج الضوء الأبيض
- سبعة ألوان أساسية لإنتاج ضوء ملون
- عشرة قنوات LED لإنتاج ضوء ملون
بالنسبة للخلط متعدد القنوات، تم برمجة خوارزمية التغذية الراجعة للتوقف عند اكتشاف أن فرق اللون Δu'v' أقل من 0.003، وهي قيمة أكثر صرامة مقارنة بالخلط ثنائي القناة. تم تحقيق هذا الهدف لكل لون مختار تم اكتشافه بواسطة كاميرا الهاتف الذكي.
كان متوسط CRI مرتفعًا بشكل ملحوظ عند 82.76 للخلط سباعي القنوات مع مصابيح LED ذات الألوان النقية و94 للخلط عشاري القنوات. من خلال تحسين اختيار الألوان الأساسية لـ LED في الجهاز الإضاءة، يمكن تقليل عدد قنوات LED المطلوبة لإنتاج نطاق ألوان أكبر وضوء عالي CRI.
من حيث الأداء الزمني، تستغرق كل خطوة في التحكم ذي الحلقة المغلقة حوالي 658 مللي ثانية، حيث تستغرق الخوارزمية حوالي 10 تكرارات لتقارب إخراج المصابيح من لون عشوائي إلى اللون المستهدف. وهذا يعادل حوالي 6-7 ثوان. معدل التقارب هذا للخوارزمية معقول ومقبول في التطبيقات الواقعية.
الخاتمة
قدمت هذه الورقة منهجية مبتكرة للتحكم في اللون لنظام إضاءة LED متعدد القنوات في بيئة المنزل الذكي، باستخدام الكاميرا المتوفرة في معظم هواتف Android الحديثة كحساس أساسي للتغذية الراجعة. تستطيع الخوارزمية تحسين الطيف الضوئي للوحدات الإضاءة لإنتاج ضوء بدرجة حرارة لونية قابلة للضبط، وألوان دقيقة، ومؤشر تجسيد ألوان عال.
يساعد نظام التحكم ذو حلقة التغذية الراجعة المغلقة في الحفاظ على المتانة تجاه الاضطرابات الخارجية من مصادر الضوء الأخرى مثل ضوء الشمس الداخل عبر النوافذ. تعمل الخوارزمية بدقة معقولة مع إمكانية تحسينها إذا تم استخدام بيانات معايرة كاميرا مخصصة.
أثبتت الطريقة المقترحة لاستخدام الهاتف الذكي كجهاز استشعار ووحدة معالجة في آن واحد أنها اقتصادية ومريحة للغاية نظرًا لعدم الحاجة إلى تثبيت أجهزة استشعار إضافية. يمكن أن تشمل الأعمال المستقبلية، من بين ميزات أخرى، الإضاءة المُعَبرة عن المزاج بناءً على تفضيلات المستخدم، وإعادة إنشاء مشهد الإضاءة الذي قام المستخدم بالتقاطه عبر هاتفه الذكي من موقع مختلف.
المراجع
تحتوي الورقة البحثية الكاملة على 39 مرجعاً تشمل موضوعات في إضاءة LED، وخوارزميات التحكم في اللون، وتطبيقات الهواتف الذكية في إنترنت الأشياء، وتقنيات المنزل الذكي. تشمل المراجع الأساسية أعمالاً حول:
- توقعات اعتماد LED من قبل وزارة الطاقة الأمريكية
- دراسات حول تأثيرات طيف الضوء على الإيقاعات اليومية البشرية
- أبحاث سابقة حول طرق التحكم في الألوان لأنظمة LED
- تطبيقات الهواتف الذكية في الأتمتة المنزلية وإنترنت الأشياء
- خوارزميات ثبات الألوان وافتراض العالم الرمادي
- طرق ضبط المتحكمات بما في ذلك Ziegler-Nichols
ملاحظة: ما سبق هو ملخص لمحتوى ورقة البحث. المستند الكامل يحتوي على بيانات تجريبية موسعة، شيفرة خوارزمية زائفة، صيغ رياضية، وتحليل مفصل للنتائج. نوصي بتنزيل ملف PDF الكامل للقراءة التقنية المتعمقة.